[发明专利]III族氮化物半导体/量子点混合白光LED器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到一种III族氮化物半导体/量子点混合白光LED器件以及其制备方法，属于半导体照明领域。

背景技术

III族氮化物材料为直接带隙半导体，其带隙覆盖了从红外可见光到紫外波段，是实现固态照明和低功耗显示器的理想材料。固态照明是一个全新的照明领域，它主要以半导体芯片为发光源，直接将电能转换为光能，转换效率高。LED作为固态照明半导体光源的核心部件，具有能耗低、寿命长、体积小、绿色环保、使用安全、可在各种恶劣环境下工作，是继白炽灯、荧光灯之后的新一代照明光源。随着发光二极管(LED)的不断发展，固态照明技术将逐步取代现有的照明技术，迎来新的照明时代。

目前的白光LED元件主要技术是蓝光LED+黄色荧光粉(如：YAG)或者紫外LED+三色荧光粉，由于其工艺成本较低，广泛被工业界采用。但是，这种荧光粉方案不可避免的缺点包括：自吸收、长时间衰减、黄色荧光粉色转换效率低。更为重要的是，现有的基于荧光粉光转换的LED芯片，随着注入电流密度的增加，辐射复合效率并没有提高，而非辐射复合增加，如俄歇复合、缺陷复合等，因此，在大注入条件下，LED的发光效率逐步下降，实验中把这一现象称为droop效应。

尽管研究者们采用了很多方法，如非极性面生长的量子阱有源层、AlGaN势垒阻挡层、GaN同质外延生长等等，可以部分减弱或消除量子限制斯托克斯效应，但是droop效应依旧依然无法克服。为了进一步减弱量子限制斯托克斯效应和droop效应，提高发光二极管的发光效率，制备纳米柱(孔)型发光二极管是一种有效的实施方法。这种有序纳米柱(孔)型发光二极管材料结构中有源层结构的应力得到释放，从而降低了有源层内部的内建电场，有利于电子空穴的空间波函数重叠，降低了量子限制斯托克斯效应；同时增加了电子空穴的复合效率，且这种纳米柱(孔)降低了缺陷复合几率，有望克服droop效应。

目前，市场上白光LED大多数采用单色光激发荧光粉，利用光色原理产生白光。其中较成熟且已商业化的是利用蓝光氮化镓基芯片激发黄色荧光粉来获得白光。但是，荧光粉的发光效率较低，且光谱呈窄带状，显色性差，色温偏高。因此，这种白光光源对眼睛不柔和、不协调。另一种较为常见的LED结构是由紫外光或紫光芯片激发红、蓝、绿三基色荧光粉来获得白光，原理同前类似。虽然可以改善显色性，调节色温，但是由于该方法同样使用了荧光粉，存在光有效转化效率低，特别是红色荧光粉的效率需要大幅度的提高。同时，荧光粉的稳定性差，大大影响其使用寿命。因此，无荧光粉的白光LED技术越来越受到重视。从目前公开的无荧光粉白光LED技术中(参见中国专利CN201210052040.1，CN201410422581.8)，尚无使用量子点实现光转换的纳米孔混合白光发光二极管器件。

目前，专利文献CN103383980A公开了一种利用紫外软纳米压印技术(UV-NIL)来制备有序氮化镓纳米孔阵列的方法。该方法采用PMMA和紫外固化胶双层胶技术紫外软压印制备大面积、低缺陷的氮化镓纳米柱(孔)，并利用反应离子刻蚀(RIE)技术实现介质层掩膜直径可调的纳米柱(孔)阵列，从而实现直径可调的氮化镓纳米柱(孔)。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需荧光粉的白光LED器件。

为达到发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于III族氮化物半导体/量子点混合纳米结构的白光LED器件，所述白光LED器件在p型电极和n型电极外的区域设有有序的纳米孔阵列，纳米孔阵列的深度从器件表面穿过量子阱有源层，直至n型氮化物层内部，所述纳米孔阵列内填充有II-VI族量子点。

优选的，所述器件包括：

一衬底；

一生长在衬底上的n型氮化镓(GaN)层；

一生长在n型氮化镓层上的铟镓氮/氮化镓(In_xGa_1-xN/GaN)量子阱有源层；

一生长在量子阱有源层上的p型GaN层；

一生长在p型氮化镓层上的氧化铟锡(ITO)层；

一p型电极，制作在ITO层上；

一n型电极，制作在n型GaN层上；

一有序的纳米孔阵列，所述纳米孔阵列设置于ITO层表面，避开p型电极区域，纳米孔阵列的深度从器件表面穿过量子阱有源层，直至n型GaN层内部，所述纳米孔阵列内填充有II-VI族量子点，其中量子点与白光LED器件的配色公式为：